CN105004749B - 固‑液相变材料熔化传热性能参数测试系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固‑液相变材料熔化传热性能参数测试系统及其方法。它包括相变材料容器、液相材料膨胀口、含液位传感器的膨胀管、绝热保温套、模数转换器、计算机；相变材料容器空腔内含有固‑液相变材料，相变材料容器对称中心顶端开一个液相材料膨胀口，液相材料膨胀口与含液位传感器的膨胀管连接，含液位传感器的膨胀管外部被绝热保温套包裹，液位传感器的液位模拟信号实时传输到模数转换器中，模数转换器导出的数字信号传输到计算机。本发明基于固‑液相变熔化过程中体积膨胀的数据，经过合理的假设以及严格的推导，能够在一定精度范围内实现内部非可视容器内相变材料的熔化率、整体换热系数等关键传热性能参数的自动测量、运算和显示。

Description

固-液相变材料熔化传热性能参数测试系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种固-液相变材料熔化传热性能参数测试系统及其方法。

背景技术

诸如在堆积床型储热换热器中的储热单元、太阳能光热利用储热罐、实验室中液相非透明的纳米复合相变材料在不同形状容器中的熔化试验等工程和试验背景下，容器内相变材料在熔化过程中的具体情况是无法直接观测的，现有的通过熔化过程中固-液相界面的轮廓推算熔化率、整体换热系数等关键传热性能参数的方法在内部非可视的情况下无法应用，见参考文献：E.Assis,L.Katsman,G.Ziskind,R.Letan,Numerical andexperimental study of melting in a spherical shell,International Journal ofHeat and Mass Transfer 50(2007)1790–1804。相关结果只能通过数值模拟进行预测，缺乏有效的实验测量的方法。

发明内容

本发明的目的在于针对边界温度是已知的且波动较小的情况下，提供一种固-液相变材料熔化传热性能参数测试系统及其方法。

一种固-液相变材料熔化传热性能参数测试系统包括相变材料容器、液相材料膨胀口、含液位传感器的膨胀管、绝热保温套、模数转换器、计算机；相变材料容器空腔内含有固-液相变材料，相变材料容器对称中心顶端开一个液相材料膨胀口，液相材料膨胀口与含液位传感器的膨胀管连接，含液位传感器的膨胀管外部被绝热保温套包裹，液位传感器的液位模拟信号实时传输到模数转换器中，模数转换器导出的数字信号传输到计算机。

所述的相变材料容器为内部非可视的对称、规则的简单形状容器。所述的内部非可视的对称、规则的简单形状容器为球形、长方体、正方体或圆柱体。

一种固-液相变材料熔化传热性能参数测试方法的步骤如下

1)在计算机中输入相变材料容器为球形、长方体、正方体或圆柱体容器形状信息，当相变材料容器为球形时，输入球形容器的总体积V_C、熔化温度T_m、初始温度T_i、加热温度T_h、时间间隔Δt、球形容器的半径R、膨胀管的内半径r、固相相变材料的密度ρ_S、比热容C_p,S、液相相变材料的密度ρ_L、比热容C_p,L、熔化潜热L、热膨胀系数β、动力粘度μ、导热系数k，其中，液相相变材料的密度ρ_L、热膨胀系数β、动力粘度μ、导热系数k均采用加热温度与熔化温度的算术平均值下的参数值；

2)加热熔化开始后开始测试，液位传感器以设定的时间间隔Δt实时测量得到液相相变材料在含液位传感器的膨胀管中的液面升高过程中的瞬时高度H，计算得到液相相变材料的膨胀体积V_E，计算公式如下：

V_E＝πr²H (1)

根据设定参数V_C和ρ_S，计算得到相变材料的总质量M，计算公式如下：

M＝V_Cρ_S (2)

之后，通过分析熔化过程中固相相变材料和液相相变材料的体积变化特点得到以下方程：

式中，m表示已经熔化的相变材料的质量；

用如下公式计算得到相变材料熔化过程中的瞬时熔化率：

根据能量守恒定律，通过球形容器传入相变材料的瞬时总能量Q通过下式计算，即：

总换热面积A通过以下公式计算：

A＝4πR² (6)

根据以上参数计算得到通过球形容器换热面的平均热流，公式如下所示：

熔化过程中的整体换热系数h通过下式进行计算：

得到整体换热系数后，努塞尔数Nu即可通过下面的定义式求出：

表示显热相对潜热的比例的斯蒂芬数Ste通过如下定义式计算：

衡量熔化过程中自然对流强弱的格拉晓夫数Gr通过如下定义式计算：

表示无量纲时间的傅里叶数Fo通过如下定义式计算：

计算得到固-液相变材料熔化传热性能参数：熔化率f、努赛尔数Nu、斯蒂芬数Ste、格拉晓夫数Gr、傅里叶数Fo。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)通过基于体积膨胀数据的关键传热性能参数的计算方法，能够在一定精度范围内推算内部非可视容器内相变材料的熔化率、整体换热系数等关键传热性能参数；

(2)配套有关键传热性能参数计算程序，计算程序中的容器形状、尺寸、边界条件、相变材料热物性等关键计算参数可以方便地输入，以适应多种复杂的计算应用对象；

(3)系统装置结构灵活、拆装简便，同时，可以方便地通过改变膨胀管的直径调节测量精度以适应不同的需求；

(4)测试系统的可以实现自动测量、运算和显示。

附图说明

以下结合附图对本发明做进一步说明；

图1是固-液相变材料熔化传热性能参数测试系统的结构示意图；

图2是相变材料容器、液相材料膨胀口、含液位传感器的膨胀管、绝热保温套的剖面示意图；

图3是相变材料容器、液相材料膨胀口、含液位传感器的膨胀管、绝热保温套的俯视半剖示意图，半剖面的位置为图2中标出的A截面；

图4是采用基于体积膨胀数据的计算方法得到的试验结果和经典文献结果的对比图，用以验证该计算方法的合理性；

图中：相变材料容器1、液相材料膨胀口2、含液位传感器的膨胀管3、绝热保温套4、模数转换器5、计算机6。

具体实施方式

如图1-3所示，一种固-液相变材料熔化传热性能参数测试系统包括相变材料容器1、液相材料膨胀口2、含液位传感器的膨胀管3、绝热保温套4、模数转换器5、计算机6；相变材料容器1空腔内含有固-液相变材料，相变材料容器1对称中心顶端开一个液相材料膨胀口2，液相材料膨胀口2与含液位传感器的膨胀管3连接，含液位传感器的膨胀管3外部被绝热保温套4包裹，液位传感器3的液位模拟信号实时传输到模数转换器5中，模数转换器5导出的数字信号传输到计算机6。

所述的相变材料容器1为内部非可视的对称、规则的简单形状容器。所述的内部非可视的对称、规则的简单形状容器为球形、长方体、正方体或圆柱体。一种固-液相变材料熔化传热性能参数测试方法的步骤如下

1)在计算机6中输入相变材料容器1为球形、长方体、正方体或圆柱体容器形状信息，当相变材料容器1为球形时，输入球形容器的总体积V_C、熔化温度T_m、初始温度T_i、加热温度T_h、时间间隔Δt、球形容器的半径R、膨胀管的内半径r、固相相变材料的密度ρ_S、比热容C_p,S、液相相变材料的密度ρ_L、比热容C_p,L、熔化潜热L、热膨胀系数β、动力粘度μ、导热系数k，其中，液相相变材料的密度ρ_L、热膨胀系数β、动力粘度μ、导热系数k均采用加热温度与熔化温度的算术平均值下的参数值；

2)加热熔化开始后开始测试，液位传感器3以设定的时间间隔Δt实时测量得到液相相变材料在含液位传感器的膨胀管3中的液面升高过程中的瞬时高度H，计算得到液相相变材料的膨胀体积V_E，计算公式如下：

V_E＝πr²H (1)

根据设定参数V_C和ρ_S，计算得到相变材料的总质量M，计算公式如下：

M＝V_Cρ_S (2)

之后，通过分析熔化过程中固相相变材料和液相相变材料的体积变化特点得到以下方程：

式中，m表示已经熔化的相变材料的质量；

用如下公式计算得到相变材料熔化过程中的瞬时熔化率：

根据能量守恒定律，通过球形容器传入相变材料的瞬时总能量Q通过下式计算，即：

总换热面积A通过以下公式计算：

A＝4πR² (6)

根据以上参数计算得到通过球形容器换热面的平均热流，公式如下所示：

熔化过程中的整体换热系数h通过下式进行计算：

得到整体换热系数后，努塞尔数Nu即可通过下面的定义式求出：

表示显热相对潜热的比例的斯蒂芬数Ste通过如下定义式计算：

衡量熔化过程中自然对流强弱的格拉晓夫数Gr通过如下定义式计算：

表示无量纲时间的傅里叶数Fo通过如下定义式计算：

计算得到固-液相变材料熔化传热性能参数：熔化率f、努赛尔数Nu、斯蒂芬数Ste、格拉晓夫数Gr、傅里叶数Fo。

为了验证计算方法的合理性，对采用该方法得到的结果与Assis等人的经典文献中的结果进行了对比，对比结果见图4。图4中结果显示出的良好的吻合性验证了基于体积膨胀数据推算熔化率等关键传热性能参数的方法的合理性。

Claims (1)

1.一种固-液相变材料熔化传热性能参数测试方法，基于参数测试系统实现，参数测试系统，包括相变材料容器(1)、液相材料膨胀口(2)、含液位传感器的膨胀管(3)、绝热保温套(4)、模数转换器(5)、计算机(6)；相变材料容器(1)空腔内含有固-液相变材料，相变材料容器(1)对称中心顶端开一个液相材料膨胀口(2)，液相材料膨胀口(2)与含液位传感器的膨胀管(3)连接，含液位传感器的膨胀管(3)外部被绝热保温套(4)包裹，液位传感器(3)的液位模拟信号实时传输到模数转换器(5)中，模数转换器(5)导出的数字信号传输到计算机(6)；其特征在于，测试方法的步骤如下

1)在计算机(6)中输入相变材料容器(1)为球形、长方体、正方体或圆柱体容器形状信息，当相变材料容器(1)为球形时，输入球形容器的总体积V_C、熔化温度T_m、初始温度T_i、加热温度T_h、时间间隔Δt、球形容器的半径R、膨胀管的内半径r、固相相变材料的密度ρ_S、比热容C_p,S、液相相变材料的密度ρ_L、比热容C_p,L、熔化潜热L、热膨胀系数β、动力粘度μ、导热系数k，其中，液相相变材料的密度ρ_L、热膨胀系数β、动力粘度μ、导热系数k均采用加热温度与熔化温度的算术平均值下的参数值；

2)加热熔化开始后开始测试，液位传感器(3)以设定的时间间隔Δt实时测量得到液相相变材料在含液位传感器的膨胀管(3)中的液面升高过程中的瞬时高度H，计算得到液相相变材料的膨胀体积V_E，计算公式如下：

V_E＝πr²H (1)

根据设定参数V_C和ρ_S，计算得到相变材料的总质量M，计算公式如下：

M＝V_Cρ_S (2)

之后，通过分析熔化过程中固相相变材料和液相相变材料的体积变化特点得到以下方程：

$\frac{m}{{\mathrm{\ρ}}_L}+\frac{M-m}{{\mathrm{\ρ}}_S}=V_C+V_E---\left(3\right)$

式中，m表示已经熔化的相变材料的质量；

用如下公式计算得到相变材料熔化过程中的瞬时熔化率：

$f=\frac{m}{M}=\frac{(V_C+V_E){\mathrm{\ρ}}_L{\mathrm{\ρ}}_S-{\mathrm{M\ρ}}_L}{({\mathrm{\ρ}}_S-{\mathrm{\ρ}}_L)M}---\left(4\right)$

根据能量守恒定律，通过球形容器传入相变材料的瞬时总能量Q通过下式计算，即：

$Q=mL+{\mathrm{mC}}_{p,S}(T_m-T_i)+{\mathrm{mC}}_{p,L}\left(\frac{T_h-T_m}{2}\right)+(M-m)C_{p,S}\left(\frac{T_m-T_i}{2}\right)---\left(5\right)$

总换热面积A通过以下公式计算：

A＝4πR² (6)

根据以上参数计算得到通过球形容器换热面的平均热流，公式如下所示：

$q^{\′\′}=\frac{1}{A}\frac{dQ}{dt}\≈\frac{1}{A}\frac{\mathrm{\Δ}Q}{\mathrm{\Δ}t}---\left(7\right)$

熔化过程中的整体换热系数h通过下式进行计算：

$h=\frac{q^{\′\′}}{T_h-T_m}---\left(8\right)$

得到整体换热系数后，努塞尔数Nu即可通过下面的定义式求出：

$Nu=\frac{hR}{k}---\left(9\right)$

表示显热相对潜热的比例的斯蒂芬数Ste通过如下定义式计算：

$Ste=\frac{C_{p,L}(T_h-T_m)}{L}---\left(10\right)$

衡量熔化过程中自然对流强弱的格拉晓夫数Gr通过如下定义式计算：

$Gr=\frac{{\mathrm{\ρ}}^{2}g\mathrm{\β}(T_h-T_m)R^3}{{\mathrm{\μ}}^2}---\left(11\right)$

表示无量纲时间的傅里叶数Fo通过如下定义式计算：

$Fo=\frac{kt}{{\mathrm{\ρC}}_{p,L}{R}^2}---\left(12\right)$

计算得到固-液相变材料熔化传热性能参数：熔化率f、努赛尔数Nu、斯蒂芬数Ste、格拉晓夫数Gr、傅里叶数Fo。